[发明专利]一种基于代理模型的大气模式优化方法

说明书

本发明适用于代理模型领域，提供了一种基于代理模型的大气模式优化方法，本发明公开了一种基于代理模型的大气模式参数调优方法，设计参数优化领域，包括以下步骤：确定参数范围并进行采样，利用大气模式模拟各个样本的结果，以均方根误差RMSE作为大气模式输出结果的评价标准，通过构建代理模型来拟合样本和模式结果之间的函数关系，利用PSO粒子群算法寻找代理模型的最优值并带入大气模式中进行验证，并不断的迭代更新代理模型，直到满足调优的需求输出最终的参数调优结果。本发明通过将代理模型的思想应用到大气模式的参数调优中，减少资源开销；同时减少了模式调优的时间消耗，提高了大气模式参数调优的效率。

技术领域

本发明属于代理模型领域，尤其涉及一种基于代理模型的大气模式优化方法。

背景技术

大气模式是地球系统模式的重要组成部分之一，是探究气候规律，预测气候变化的重要工具，通过非线性方程组来模拟地球发生的各种物理，化学变化；在次网格尺度上，一些物理过程以参数的形式来表示，因此，这类参数的数值确定在模式的运行过程中至关重要，微小的改变就可能导致结果的巨大偏差，所以这些参数值的调整是模式运行稳定准确的重要条件之一。

这种参数的选择问题可以抽象为传统的参数优化问题，国内外的研究根据大气模式的特性和参数意义进行了大量研究并提出了各种优化算法，但是与传统参数优化问题不同的是，大气模式的运行所需代价极高，从科学角度来看，大气模式从启动状态到达平衡状态需要3-5年的积分稳定时间；从优化算法的应用角度看，通常达到满足要求的收敛条件，至少需要十几轮或几十轮的迭代。在这种高开销的情境下，通过优化算法迭代得到最优解的时间开销往往是难以接受的。

代理模型是一种计算量小，但其计算结果和高精度模型的计算分析结果相近的分析模型。在诸多工程领域有广泛应用，一方面，使用代理模型可以大大减少参数调优的时间开销，另一方面，可以将更多高效的优化算法应用于大气模式的参数调优，

针对相关技术中的问题，目前尚未开展代理模型应用于大气模式参数调优的研究。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种基于代理模型的大气模式优化方法，旨在解决目前尚未开展代理模型应用于大气模式参数调优的研究的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种基于代理模型的大气模式优化方法，包括以下步骤：

步骤一：确定调优的参数和优化目标，根据选定参数确认其上下限；

步骤二：利用拉丁超立方采样在参数的范围内进行采样；

步骤三：步骤二中获得的参数样本依次带入到大气模式的参数输入列表中，启动执行大气模式，待各个采样值对应的大气模式执行完毕后，读取大气模式的输出文件，得到不同的样本对于优化目标的改变，使用均方根误差RMSE来判别各个样本对模式的改变水平；

步骤四：利用步骤三获得的数据构建代理模型；

步骤五：利用粒子群算法寻找代理模型的最优解；

步骤六：将步骤五中的解所代表的参数带回到大气模式中，得到新的一组值，将这组值添加到构建代理模型的解集中更新代理模型；

步骤七：判断步骤六中的结果是否满足优化要求，如果不满足，将步骤六中的参数和大气模式模拟的RMSE分别添加到步骤四的样本集合S和均方根误差集合RMSE中，更新代理模型，重复步骤四～步骤六；

步骤八：当步骤六得到的RMSE符合优化的标准时，结束调优过程，输出此时获得的参数，该参数就是最终调优实现的结果。

进一步的技术方案，根据步骤二，拉丁超立方采样的步骤如下：

步骤201：首先确定样本数N，即要抽取的样本数目；

步骤202：将(0，1)区间均分为N段；